level-set
關(guān)注創(chuàng)建者：風(fēng)氫陽(yáng)-新能源 創(chuàng)建時(shí)間：2019-12-17
level-set的實(shí)例教程
幸運(yùn)的是，Level-set方法作為一種有效的界面捕捉技術(shù)，為多相流的數(shù)值模擬提供了一種有力的工具，而上海積鼎信息科技有限公司自主研發(fā)的VirtualFlow軟件，正是基于這種先進(jìn)方法的專業(yè)多相流仿真軟件。
1 Level-set模型介紹
1.1 基本原理
界面追蹤方法通常用于兩種或多種不互溶流體的自由界面流動(dòng)（可以是液-液或者氣-液體系），流體之間由清晰的界面分隔，并且界面隨時(shí)間變化。界面追蹤/捕捉方法是一種通過(guò)追蹤某個(gè)場(chǎng)的變化來(lái)確定和追蹤界面的方法。該方法對(duì)整個(gè)計(jì)算域求解一個(gè)輸運(yùn)方程，然后把兩相流體視作具有變化物性的單一流體。這些物性的變化通過(guò)相標(biāo)記函數(shù)x(x,t)的輸運(yùn)來(lái)考慮
1.2 特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)
（1）界面捕捉能力強(qiáng) ，Level-set方法能夠自然地處理復(fù)雜的界面變形和拓?fù)渥兓?，如液滴的分裂、合并以及氣泡的形成和破裂等，無(wú)需對(duì)界面進(jìn)行顯式的參數(shù)化處理，避免了在處理復(fù)雜界面問(wèn)題時(shí)可能出現(xiàn)的網(wǎng)格扭曲和計(jì)算困難等問(wèn)題。
（2）物理量計(jì)算準(zhǔn)確，通過(guò)光滑的Level-set函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)，可以較為準(zhǔn)確地計(jì)算界面處的幾何量，如法向量、曲率等，從而能夠更精確地模擬表面張力等物理效應(yīng)，更好地反映多相流的實(shí)際物理過(guò)程。
2 水瓶注水VirtualFlow算例設(shè)置
2.1 軟件概述
VirtualFlow是由積鼎公司自主研發(fā)的一款專業(yè)的多相流仿真軟件，它基于Level-set方法等多種先進(jìn)的數(shù)值算法，能夠?qū)Χ喑叨取⒍嗔黧w的層流和湍流氣液兩相流動(dòng)進(jìn)行精確的數(shù)值模擬，在工業(yè)領(lǐng)域的多相流問(wèn)題研究和工程應(yīng)用中得到了廣泛認(rèn)可和應(yīng)用。
展開(kāi) 常用的界面捕捉模型包括LS（Level Set）方法和VOF（Volume of Fluid）方法。</p><p>多相流模擬軟件，首先就是針對(duì)此類有邊界面的問(wèn)題。目前主流的商業(yè)CFD軟件大多采用VOF方法，而定位于多相流仿真的國(guó)產(chǎn)通用流體仿真軟件Virtualflow采用Level Set方法進(jìn)行界面流仿真。</p><p><br></p><h2>1、Level Set 方法</h2><p>Level Set方法是基于空間曲面的隱函數(shù)表達(dá)。</p><p>在LS方法中，每一個(gè)時(shí)間步都要重新初始化LS方程，在時(shí)刻tn 求得的LS函數(shù)與控制方程一起求解得到下一時(shí)刻的LS函數(shù)，這些初始化的過(guò)程中總伴隨著界面位置的移動(dòng)，會(huì)造成質(zhì)量損失，導(dǎo)致質(zhì)量不守恒。而改善初始化步驟來(lái)矯正質(zhì)量守恒又會(huì)增加計(jì)算時(shí)間，提升計(jì)算成本。同時(shí)，因?yàn)長(zhǎng)S方法采用的是光滑的距離函數(shù)來(lái)捕捉相界面，各個(gè)物理量可以在界面上光滑連續(xù)地過(guò)渡，且相界面的捕捉效果好。</p><p><br></p><h2>2、VOF方法</h2><p>在VOF方法中，用來(lái)劃分兩相界面的函數(shù)是體積分?jǐn)?shù)α，表示的是單個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的液體體積與這個(gè)網(wǎng)格總體積的比值。</p><p class="ql-align-center"><img src="https://bexp.135editor.com/files/users/1445/14451217/202406/cWUkgG9x_DPHz.png?
展開(kāi) 要在COMSOL中進(jìn)行激光加工熔池的模擬，您可以使用COMSOL Multiphysics軟件，并結(jié)合Level Set方法來(lái)建模液體/固體相變。以下是一般步驟：
準(zhǔn)備模型： 打開(kāi)COMSOL Multiphysics軟件，創(chuàng)建一個(gè)新模型。
選擇物理場(chǎng)： 在模型創(chuàng)建界面中，選擇適當(dāng)?shù)奈锢韴?chǎng)。對(duì)于激光加工熔池的模擬，您可能需要選擇熱傳導(dǎo)、流體流動(dòng)和相變等物理場(chǎng)。
幾何建模： 創(chuàng)建幾何模型，表示您要模擬的激光加工熔池的幾何形狀。確保包括激光的輸入位置和方向。
網(wǎng)格劃分： 生成適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格，確保在激光照射區(qū)域和熔池周圍有足夠的網(wǎng)格分辨率。COMSOL提供了自動(dòng)網(wǎng)格劃分工具。
材料屬性： 定義材料的熱物性、流體性質(zhì)和相變參數(shù)。對(duì)于熔融池，您需要考慮液體相和固體相之間的相變參數(shù)。
邊界條件： 設(shè)置邊界條件，包括激光輸入條件、傳熱表面條件等。確保模型反映實(shí)際物理過(guò)程。
初始條件： 定義模擬的初始條件，例如開(kāi)始時(shí)的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)。
方程和耦合： 編寫和配置適當(dāng)?shù)姆匠探M，考慮熱傳導(dǎo)、流體流動(dòng)和相變。確保這些方程相互耦合，以模擬實(shí)際的物理過(guò)程。
Level Set 方法： 選擇Level Set方法來(lái)描述液體/固體相變的界面。您需要配置Level Set方程并設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。
求解： 運(yùn)行模擬并查看結(jié)果。通過(guò)監(jiān)視激光加工熔池的溫度、流場(chǎng)和相變等參數(shù)，以獲得有關(guān)過(guò)程的詳細(xì)信息。
后處理： 分析和后處理模擬結(jié)果，例如查看溫度分布、液體/固體相變的界面等。
展開(kāi) 界面追蹤模型
VirtualFlow擁有的Level Set模型可以很好地應(yīng)用于燃油晃動(dòng)領(lǐng)域。關(guān)于Level Set 方法，往期文章已做過(guò)介紹：界面追蹤：Level Set 與 VOF
Level Set 方法通過(guò)距離函數(shù)直接追蹤界面，而非VOF模型需要重構(gòu)界面。因此，其優(yōu)勢(shì)在于界面擁有明確的定義，且可以很好地處理界面出現(xiàn)劇烈拓?fù)渥兓那闆r（例如液面破碎、聚并等）。對(duì)于Level Set 方法可能帶來(lái)的質(zhì)量守恒性方面，VirtualFlow針對(duì)性采用Local+Global補(bǔ)償修正，避免了早期LevelSet方法的質(zhì)量守恒性較差的問(wèn)題，解決了相體積不守恒的數(shù)值問(wèn)題?？傊?，VirtualFlow軟件提供的Level Set方法對(duì)于相界面的跟蹤識(shí)別的優(yōu)勢(shì)是非常明顯的，非常適用于燃油晃動(dòng)這種存在大尺度界面的應(yīng)用領(lǐng)域。
算例一：某型飛機(jī)油箱燃油晃動(dòng)的分析算例
本節(jié)提供了VirtualFlow軟件通過(guò)剛體運(yùn)動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)的某型飛機(jī)油箱燃油晃動(dòng)的分析算例，該飛機(jī)的油箱組成如圖所示。
圖2 飛機(jī)油箱組成
在該算例中，我們提取右側(cè)的機(jī)翼油箱作為主要計(jì)算域。其尺寸如圖所示。
圖3 機(jī)翼油箱尺寸
如圖所示，初始時(shí)刻，油箱內(nèi)填充約一半的燃油（紅色部分）。
圖4 油箱初始狀態(tài)
該算例的主要參數(shù)如下表所示：
下面給出了VirtualFlow軟件計(jì)算得到的燃油晃動(dòng)結(jié)果。通過(guò)VirtualFlow，用戶可以輕松地獲得晃動(dòng)過(guò)程中油箱內(nèi)的油面形態(tài)分布（左）以及燃油速度（右）等參數(shù)。
圖5
用戶還可以設(shè)定任意截面以獲取其上的詳細(xì)參數(shù)分布。
展開(kāi) 此外，由于潰壩問(wèn)題涉及自由表面運(yùn)動(dòng)，常常需要引入專門的自由表面捕捉技術(shù)，如體積法（Volume of Fluid，VOF）或水平集法（Level Set Method）等。
積鼎自研通用計(jì)算流體力學(xué)分析軟件VirtualFlow基于FVM開(kāi)發(fā)，具有全代碼自主可控、先進(jìn)的網(wǎng)格技術(shù)、高精度的湍流模型、豐富的多相流模型等技術(shù)特點(diǎn)；軟件在求解界面流問(wèn)題時(shí)，提供了VOF、Level set兩種模型，可應(yīng)用于類似潰壩這樣的界面流仿真分析中。
二維標(biāo)準(zhǔn)潰壩數(shù)值算例設(shè)置
流體域按照標(biāo)準(zhǔn)潰壩實(shí)驗(yàn)《Experimental investigation of dynamic pressure loads during dam break》中的實(shí)驗(yàn)設(shè)置：流體域長(zhǎng)1610mm，高600mm；初始液相區(qū)域?yàn)閤≥1010&y≤300。
展開(kāi) 
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level-set的最新內(nèi)容
軟件支持單相與多相流機(jī)械潤(rùn)滑仿真，結(jié)合 Level-set 或 VOF 模型與共軛換熱模型，可模擬泵閥系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)機(jī)械等部件的潤(rùn)滑過(guò)程，分析潤(rùn)滑油膜分布、壓力場(chǎng)與溫度場(chǎng)，為機(jī)械部件磨損控制、壽命延長(zhǎng)提供仿真支持。
兩款軟件核心差異在于采用不同的常用兩相流模擬方法：國(guó)外商軟采用 VOF 方法，VirtualFlow 則采用 Level Set 方法。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩款軟件預(yù)報(bào)的流動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在顯著不同。對(duì)于氣泡流，VirtualFlow 的預(yù)報(bào)結(jié)果能夠捕捉到氣泡內(nèi)部的再循環(huán)流動(dòng)，而國(guó)外商軟的 VOF 方法計(jì)算結(jié)果中未觀察到明顯的再循環(huán)流動(dòng)。
此外，由于潰壩問(wèn)題涉及自由表面運(yùn)動(dòng)，常常需要引入專門的自由表面捕捉技術(shù)，如體積法（Volume of Fluid，VOF）或水平集法（Level Set Method）等。
VirtualFlow軟件基于有限體積法，具備領(lǐng)先的 IST 網(wǎng)格技術(shù)，可自動(dòng)生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格并局部加密、豐富的多相流模型和相變模型，包括VOF/Level Set/歐拉-拉格朗日模型，及復(fù)雜流體處理能力，如非牛頓流體、水合物等，支持千萬(wàn)級(jí)網(wǎng)格并行計(jì)算能力。
氣-液-固三相體系CFD模擬方法：理論框架與應(yīng)用拓展11個(gè)月前
積鼎信息自主開(kāi)發(fā)的通用計(jì)算流體力學(xué)分析軟件VirtualFlow 具有豐富且精準(zhǔn)的多相流模型，包含Level set、VOF、均相流、拉格朗日顆粒追蹤等模型，涵蓋了上述文獻(xiàn)中所用多相流模型，能夠用于氣- 液- 固三相。
對(duì)于界面流問(wèn)題，它采用了VOF和 Level Set 方法。
由于本算例為二維模型，僅需要求解壓力、U速度、V速度即可；需要考慮重力作用的影響；對(duì)于水瓶注水這種不可壓縮的氣液兩相流動(dòng)，可以選擇Level-set多相流模型。
圖 3.3設(shè)置求解方程、重力矢量及Level-set模型
（4）相屬性定義
指定水和空氣的物理屬性，如密度、粘度、表面張力系數(shù)等。
圖12 Low4工況下壓力沖擊和衰減曲線對(duì)比
（左: 實(shí)驗(yàn)結(jié)果，右: CFDPro模擬結(jié)果）
CFDPro為上海積鼎信息科技有限公司自主開(kāi)發(fā)的行業(yè)專用流體仿真軟件，具有獨(dú)特的Level Set界面追蹤方法、領(lǐng)先的湍流模型、豐富的相變模型，配置燃燒模型和反應(yīng)機(jī)理接口，更加適用于工程計(jì)算模擬，提供了面向國(guó)防軍工的流體仿真解決方案，可用于航空航天、海洋船舶、兵器等領(lǐng)域流體仿真分析。
液面狀態(tài)
中軸面上的流動(dòng)狀態(tài)（速度）?
中軸面上的流動(dòng)狀態(tài)（渦量）
在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，SprayPro采用Level Set距離函數(shù)法來(lái)追蹤氣液相界面，相比傳統(tǒng)VOF法，氣液相界面更尖銳，有利于精準(zhǔn)捕捉霧化液滴；兼容空化模型，可用于高精度分析噴嘴處由于高速流動(dòng)引起的空化現(xiàn)象對(duì)霧化結(jié)果的影響；提供歐拉框架下三維高保真霧化仿真分析，以及對(duì)二次破碎后微小液滴的拉格朗日顆粒描述，便于后續(xù)的燃燒仿真計(jì)算
VirtualFlow支持求解界面流問(wèn)題、混合流問(wèn)題、顆粒流問(wèn)題，多相流模型包括：Level-set模型、VOF模型、均相流模型、代數(shù)滑移模型、離散相模型（有密相顆粒求解能力）。
對(duì)于界面流問(wèn)題，它采用了 VOF和 Level Set 方法。VOF 方法能夠清晰地追蹤氣液兩相的界面，通過(guò)計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格單元內(nèi)氣相和液相的體積分?jǐn)?shù)，準(zhǔn)確描述界面的位置和形狀變化。Level Set 方法則是將界面表示為一個(gè)符號(hào)距離函數(shù)，在處理復(fù)雜界面變形和拓?fù)渥兓瘯r(shí)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，能夠更精確地捕捉氣液界面的動(dòng)態(tài)演化。
在混合流問(wèn)題上，VirtualFlow 提供基于歐拉 - 歐拉體系的均相模型。
